低散斑环形光束整形器件的设计及实验

提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论,对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式,并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关. 关键词： 部分相干平顶光束 偏振特性 相干-偏振矩阵 正多边形光阑 光阑衍射     

部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性

根据光束的相干-偏振矩阵和传输理论，对部分相干平顶光束经正多边形光阑衍射的偏振特性进行了系统的研究.给出了部分相干平顶光束偏振度传输公式，并将高斯-谢尔模型光束以及部分相干平顶光束在自由空间传输的偏振度作为特例统一于一般表达式中.研究表明：部分相干平顶光束经光阑衍射的偏振特性与光阑截断参数、光束的空间相干性、衍射角、传输距离、平顶光束的阶数有关.     

新型棱镜产生近似无衍射线结构光

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

投影光刻离轴照明用衍射光学元件的矢量分析

使用衍射光学元件(DOE)作为投影光刻照明系统实现离轴照明(OAI)的光束整形匀光器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制OAI光束的形状及光强分布.在矢量角谱传输方法的基础上,建立了投影光刻用DOE的矢量分析模型,并对标量方法设计的DOE在偏振照明情况下的匀光与整形性能进行了分析.分析结果表明DOE在大角度衍射、...     

用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系。提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布。与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率。采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率。分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内。     

基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。     

衍射光学元件设计方法综述

衍射光学元件（DOE）因其轻型化、小型化和多功能化等特点,在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。针对不同应用场景下DOE的性能需求,研究人员需要灵活运用DOE的设计方法进行设计。通过回顾DOE设计的基本原理简述了现有基于衍射原理和干涉原理的DOE设计方法,通过几种典型应用中的最新进展阐述了具体的DOE设计方法及其适用性,并对DOE设计中的难点及其在未来科技中的可能应用方向进行了展望。     

环状平顶光束的传输特性研究

利用偏心高斯光束相干叠加方法，建立了柱坐标系下环状平顶光束模型.采用广义强度二阶矩定义，推导出环状光束广义M2因子的解析表达式.利用广义衍射积分理论，给出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式，并进一步给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义.分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律.研究结果表明，该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束.环状平顶光束的广义M2因子和环状平顶光束的传输特性与其阶数及遮拦比有关.     

利用汉克尔变换设计高斯光束整形衍射元件的应用研究

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视,其通常的设计方法为G-S算法,由于使用傅里叶变换运算量大、费时长,将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度,节省运算时间,为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器,成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件,既可在距离其35 m处得到一半径为200μm的圆形平顶光斑,均方根误差D0.021。当抽样值取2~15时,在普通PC机上运行时间仅为20.05 s,大大节省了优化设计时间(整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算)。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件,并进行了实际测试,结果与设计值基本相符,整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好,还有利于与激光器的集成,简化系统的调节。     

一种产生Mathieu光束的光学系统

设计了一种简单而新颖的光学元件。光束经过此元件后,再利用透镜聚焦便可产生无衍射Mathieu光束,且改变衍射元件的参数,Mathieu光束的q值随之改变。利用离散傅里叶方法从理论上导出了该光学系统的Mathieu光束的表达式,采用Matlab模拟了光斑强度。数值模拟和实验结果证实了此元件产生无衍射Mathieu光束的有效性。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

为了改善三角棱镜系统产生近似无衍射线结构光的能量均匀分布在若干条光斑上,不适合直接应用于三维表面测量且中心光斑对能量利用率较低的问题,提出了一种新型光学元件.该元件在三角棱镜的基础上,通过在其底部胶合一个与原三角棱镜底面大小相等,横截面为等腰梯形的凸台制成.采用几何光学的理论对新型光学元件的光束变换特性进行分析,结果表明其可以等效为两个不同底角三角棱镜的组合,平面光束通过新型光学元件后将产生中心光斑较强的近似无衍射线结构光.由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件后的空间光强分布特性.仿真的结果表明,衍射积分分析的结果与几何光学分析的结果是一致的:新型光学元件可以产生一种性能更好的近似无衍射线结构光.并且通过改变棱镜的结构参量,能够方便地调节光束的中心光斑尺寸、近似无衍射范围等参量.     

双轴棱锥产生长距离近似无衍射光的新技术

提出了一种利用会聚透镜、轴棱锥等简单光学元件产生长距离近似无衍射光的新技术. 分别利用几何光学和衍射理论分析了该方法产生长距离近似无衍射光束的原理, 通过软件模拟了长距离近似无衍射光束的形成过程,得出了该光束在不同距离处的横向光强分布. 模拟结果显示该光束在较长距离处的横向光强分布满足Bessel分布. 从实验上获得了传播距离长达80 m、中心光斑发散角约为0.12 mrad的近似无衍射光束, 相比于国外学者最近的研究成果(Belyi et al. 2010 Opt. Exp. 18 1966)将传播距离延长了50多米,而光束发散角压缩了22倍.实验中, 对光束沿光轴传播时在不同距离处的光斑进行了拍摄,所得实验结果与理论分析基本符合.     

用于半导体激光器光束整形的衍射光学元件的设计研究

采用模拟退火法（ＳＡ）和输入 输出法（Ｉ-Ｏ）相结合的算法（ＳＡＩＯ）设计了８台阶的衍射光学元件，将椭圆高斯分布的激光束变换到均匀圆光束，转换到圆均匀区的能量效率达到了９１.９％．计算结果表明，用ＳＡＩＯ设计得到的输出波形边缘陡直，在平顶区的起伏和光滑程度比单独使用ＳＡ或Ｉ-Ｏ有明显改善 关键词：